Determinação do fator anisotrópico de emissão de nêutrons de fontes de 241 Amerício-Berílio do Laboratório de Metrologia de Nêutrons

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1 Determinação do fator anisotrópico de emissão de nêutrons de fontes de 241 Amerício-Berílio do Laboratório de Metrologia de Nêutrons Prycylla Gomes Creazolla 1, Fellipe Souza da Silva 1, Walsan Wagner Pereira 1 1 LN/LNMRI, Instituto de Radioproteção e Dosimetria, , Rio de Janeiro, RJ,Brasil prycyllacreazolla@gmail.com Resumo: Campos de nêutrons de referência a partir de fontes de 241 Amerício-Berílio ( 241 Am-Be) são amplamente utilizados na calibração de rotina de instrumentos sensíveis aos nêutrons. É necessário que parâmetros relativos a esses campos sejam bem definidos para a calibração adequada e estimativa de doses confiáveis. Uma dessas correções está relacionada à emissão anisotrópica de fontes de nêutrons, devido ao encapsulamento das fontes e à distribuição do material radioativo, que podem produzir diferenças na intensidade da emissão em relação ao eixo axial da fonte. Neste artigo, é realizada as medições da distribuição angular da emissão de nêutrons em 3 fontes de 241 Am-Be com o detector Precision Long Counter no Laboratório de Metrologia de Nêutrons e determinados os coeficientes de anisotropia. Palavras-chave: fonte de nêutrons; anisotropia; emissão de nêutrons; Precision Long Counter; fonte de 241Am-Be. Abstract: Reference neutron fields from 241 Americium-Beryllium ( 241 AmBe) sources are widely used for calibration of neutron measurement devices and it is necessary that the reading of the instrument to the field be corrected for all dispersion effects to an adequate calibration and reliable dose estimates. One of these corrections is related to the anisotropic emission of neutron sources due to the encapsulation of the sources and the distribution of the radioactive material that can produce differences in the emission intensity to the axial axis of the source. In this paper are determined the measurements of the angular distribution of the neutron emission in 3 sources of 241Am-Be with the Precision Long Counter detector in the Laboratory of Neutron Metrology and the anisotropy coefficients. Keywords: anisotropy; neutron source; neutrons emission; Precision Long Counter; 241Am-Be neutron source. 1

2 1. INTRODUÇÃO A taxa de fluência de nêutrons no ponto de calibração é um dos parâmetros mais importantes na calibração de dosímetros e monitores de área. Embora a taxa de fluência de nêutrons no ponto de calibração seja obtida pela intensidade da fonte numa distância D a partir do centro da fonte, deve ser adotado um fator de correção adicional para uma emissão anisotrópica de nêutrons. Pois, o material radioativo é distribuído e encapsulado em geometrias cilíndricas, podendo haver pequenas diferenças nessa distribuição e na espessura de aço ao redor do material radioativo, o que gera dispersão de nêutrons com materiais do próprio encapsulamento (BARDELL et al, 1998). O resultado desse efeito é a variação da distribuição na taxa de fluência de nêutrons com o ângulo no ponto de calibração, pois os nêutrons dispersos têm um espectro de energia diferente dos nêutrons do espectro de origem, e a contribuição de dipersão para a leitura do instrumento depende da energia e da dependência angular da resposta do instrumento (ISO, 2001). Este efeito é determinado como a emissão anisotrópica da fonte de nêutrons e expressa por um fator de anisotropia a fim de que se possa corrigir o aumento da resposta do instrumento em relação ao campo. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo apresentar os resultados experimentais do fator anisotrópico de fontes de nêutrons, obtidos a partir das medições de distribuição angular de emissão de três fontes de 241 Am-Be do Laboratório de Metrologia de Nêutrons (LN), que pertence ao Laboratório Nacional de Metrologia das Radiações Ionizantes (LNMRI) do Instituto de Radioproteção e Dosimetria (IRD), e demonstrar a importância deste fator no processo de medições e calibrações em laboratórios que utilizam o detector Precision Long Counter (PLC), a fim de possuir campos de nêutrons de referência para calibrações de instrumentos sensíveis aos nêutrons com menores incertezas. A medição experimental envolve posicionar a fonte, com seu eixo cilíndrico horizontal, no centro de uma área de baixa dispersão e medir as taxas relativas de emissão em intervalos angulares entre os eixos axiais da fonte com um detector PLC. 2. EMISSÃO ANISOTRÓPICA DE FONTES DE NÊUTRONS O formato ideal de fonte a ser usada para calibração é aquele em que se aproxima de uma fonte pontual com emissão isotrópica. Entretanto, as fontes de nêutrons comercialmente disponíveis geralmente possuem formato cilíndrico e com os componentes radioativos duplamente encapsulados com materiais leves, geralmente aço inoxidável ou zircónio para evitar qualquer vazamento e minimizar a correção de nêutrons espalhados no material (BARDELL et al, 1998). Todavia, mesmo seguindo normas nacionais e internacionais para a proteção física das fontes e facilidade de manuseio, variações na espessura dos materiais no processo de encapsulamento das fontes de nêutrons e a própria geometria fazem com que a emissão ocorra de forma anisotrópica, devido à dispersão elástica e inelástica sofrida pelos nêutrons. Além da geometria de como o material radioativo é encapsulado, quanto maior a diferença entre o comprimento do cilindro e o diâmetro da fonte, maior será a diferença na intensidade da emissão de nêutrons em relação ao eixo da fonte, resultando numa emissão anisotrópica de nêutrons (HAWKES et al, 2007; EISENHAUER et al, 1958). 2

3 3. MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE ANISOTROPIA DAS FONTES DE 241 AM-BE Considerando os sistemas de coordenadas de uma fonte cilindrica, conforme ilustrado na figura 1, a emissão de nêutrons é simétrica em relação ao eixo do cilindro, isto significa que a emissão possui maior necessidade de avaliação em função do ângulo polar entre a direção do detector e o eixo da fonte (HAWKES et al, 2007). A determinação do fator de anisotropia no ângulo de 90, em relação ao eixo cilíndrico da fonte, possui uma variação mínima de emissão com o ângulo, e portanto, é o ângulo mais utilizado para a calibração de detectores. Figura 1. Sistema de coordenadas de uma fonte de nêutrons cilíndrica (ISO, 2001). A avaliação dos coeficientes de anisotropia em qualquer ângulo a partir do eixo da fonte é dada pela expressão (1), onde é a taxa de contagem no ângulo θ i corrigida para os efeitos de tempo morto numa distância L e aplicado para todos os ângulos, variando em 10 graus, entre ( ) e ( ) (BARDELL et al, 1998; KOWATARI et al, 2008). * + Os coeficientes de anisotropia foram avaliados por medições experimentais utilizando detector do tipo PLC, pois este apresenta boa resposta energética para uma grande variação de energias no que diz respeito à fluência de nêutrons (MASSAND, 1972), e realizadas no Laboratório de Baixo Espalhamento do Laboratório de Metrologia de Nêutrons, que possui dimensões laterais de 7,8 m x 18 m por 6 m de altura do piso ao teto e construído com materiais de baixo número atômico 3

4 Fator de Anisotropia com o intuito de minimizar a contribuição do espalhamento (LNMRI/LN, 2018). As principais características das fontes de nêutrons de 241 Am-Be utilizadas no estudo são apresentadas na tabela 1. Tabela 1. Especificação das fontes de nêutrons de 241 Am-Be do LN. Fonte Encapsulamento Atividade (10 9 Bq) Diâmetro (mm) Altura (mm) 241 Am-Be SN Am-Be SN Am-Be As medições foram obtidas a partir do posicionamento da fonte em um sistema mecânico de rotação de fontes, de forma que a fonte ficasse alinhada horizontalmente com o detector a uma distância de 2 metros. Em seguida, foram realizadas 19 medições da taxa de emissão de nêutrons a partir de 0 até 180, variando em ângulos de 10º a posição da fonte em relação ao seu eixo axial. 4. ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS De acordo com (1), foi obtido o gráfico dos coeficientes de anisotropia, que pode ser analisado na figura 2, para todas as fontes de 241 Am-Be especificadas na tabela 1. Os resultados indicaram variação na emissão de nêutrons em relação ao eixo axial da fonte e, portanto, elas não podem ser consideradas como sendo fontes de emissão isotrópica, pois não apresentam o valor de 1 em cada ângulo de medição. Sendo assim, valores abaixo ou superiores a 1 no ângulo de 90 indicam o fator anisotrópico da fonte de nêutrons analisada (BARDELL et al, 1998). 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 241Am-Be 37 GBq 241Am-Be 185 GBq 241Am-Be 592 GBq Ângulo das fontes de 241 Am-Be a partir da extremidade da solda Figura 2. Fator de anisotropia para três fontes de nêutrons de 241 AmBe. Na fonte de 241 AmBe 37 GBq, o fator de anisotropia foi definido em 2,79% no ângulo de 90. Na fonte de 241 AmBe 185 GBq, os resultados apresentaram variação na emissão de nêutrons em relação ao eixo axial da fonte, principalmente entre os ângulos de 0º a 90 e o fator de anisotropia foi definido em 2,76%. Na fonte de 241 AmBe 592 GBq, os resultados mostraram variação uniforme de anisotropia 4

5 com o ângulo. Sua anisotropia foi determinada em 8,65% devido às variações na estrutura do material radioativo e maior razão entre a altura e o raio de seu encapsulamento cilíndrico. 5. CONCLUSÃO O uso crescente de fontes de nêutrons em aplicações médicas e industriais justifica a necessidade de haver campos de nêutrons de referência para calibrações de instrumentos sensíveis aos nêutrons para fins de radioproteção. A partir dos resultados experimentais dos coeficientes de anisotropia das fontes analisadas, foi possível constatar variações na emissão de nêutrons. Na fonte de 241 AmBe 37 GBq, a anisotropia foi determinada em 2,79%, na fonte 241 AmBe 185 GBq foi de 2,76% e na fonte de 241 AmBe 592 GBq, o fator de anisotropia foi definido em 8,65%. Isso reforça a importância de determinar o fator de anisotropia de fontes de nêutrons, a fim de diminuir as incertezas associadas à dosimetria de nêutrons, pois conduz uma maior precisão da taxa de fluência de uma fonte e melhora o processo de medições e calibrações em laboratórios que utilizam o detector PLC. Beneficiando, portanto, os profissionais da área de radioproteção e aqueles que estão expostos aos campos de nêutrons. REFERÊNCIAS BARDELL, A. G., BURKE, M., HUNT, J. B., TAGZIRIA, H. e THOMAS, D. J., Anisotropy of Emission from Radionuclide Neutron Sources, NPL Report CIRM 24, December EISENHAUER, C. M., HUNT, J. B. e SCHWARTZ, R. B. Calibration techniques for neutron personal dosimetry. Radiat. Prot. Dosim. Vol.10 n.1-4. Pag HAWKES, N. P., FREEDMAN, R. TAGZIRIA, H. e THOMAS, D.J. Measurement and calculation of the emission anisotropy of an X1 525Cf Neutron Source. Radiat. Prot. Dosim. Vol.126 n.1-4. Pag INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, ISO, Reference neutron radiation- part 1: Characteristics and methods of production. ISO , 1ed. Geneva KOWATARI, M., ONUMA, I., TANIMURA, Y., KAWASAKI K., SAEGUSA, J. e YOSHIZAWA, M. Determination of the Anisotropic Emission Factor for Neutrons from 241Am-Be Source. Radioisotopes. Vol. 57. N LN/LNMRI Laboratório de Baixo Espalhamento. Disponível em < acessado em 20 de setembro de 2018 MASSAND, O. P. Investigation of Some Properties of the Precision Long Counter. Commission of the European Communities. CBNM, Luxembourg. pag f